CN212434829U - 适用于5g宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，磁偶极子包括正交设置的一对垂直短路单元，每个垂直短路单元包括两垂直短路贴片，电偶极子包括四个分别对应垂直设于一磁偶极子之上的水平贴片单元，垂直短路贴片之间设置间隙以提高端口隔离度；正交馈电结构包括第一馈线和交叉跨设在第一馈线的上方的第二馈线，与第一馈线和第二馈线的馈电端正对的位置分别设有一金属块，金属块的底部与金属底板短接，金属块的两端接相邻的两垂直短路贴片，通过金属块增大阻抗匹配程度，在将整个天线的尺寸做到较小时，仍能实现在工作频段3‑5GHZ时驻波比VSWR<1.5，隔离度S21<‑25dB，满足5G基站天线的工作频段覆盖需求。

Description

适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线

技术领域

本实用新型涉及基站天线设计技术领域，尤其涉及一种适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线。

背景技术

随着现代通信技术的迅速发展，现代基站天线朝着小型化、宽频带、多模态、低成本等趋势发展。现今，5G通信技术的发展如火如荼，基站天线作为5G通信技术一个至关重要的基石，对于基站天线的需求也随着5G手机的普及迅速增长。

目前，6GHZ以下的基站天线的主流频段为3-5GHZ，5G基站天线应满足此频段的覆盖。而传统的基站天线主要以偶极子天线为主，天线轮廓大，带宽不够宽，且其方向图在高频率阶段容易发生畸形。另一种常用的基站天线是微带天线，其带宽小，无法满足5G基站的宽频带的要求，且其阵子单元之间容易发生互相耦合而导致无法实现较好的辐射效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种体积小且能够实现3-5GHZ全覆盖的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，以满足5G通信需求。

为了实现上述目的，本实用新型的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，包括盒装反射结构、电偶极子、磁偶极子、正交馈电结构及两金属块，所述盒装反射结构包括金属底板和沿所述金属底板的周向围设在所述金属底板之上的金属挡板，所述磁偶极子包括正交设置的一对垂直短路单元，每个所述垂直短路单元包括两垂直短路贴片，各所述垂直短路贴片之间具有间隙，每一所述垂直短路贴片包括垂直设于所述金属底板上的一第一金属片和一第二金属片，所述第二金属片与所述第一金属片垂直相接，所述电偶极子包括四个分别对应垂直设于一所述磁偶极子之上的水平贴片单元，所述正交馈电结构设于所述间隙，其包括第一馈线和交叉跨设在所述第一馈线的上方的第二馈线，一所述金属块正对所述第一馈线的馈电端设置，另一所述金属块正对所述第二馈线的馈电端设置，且两所述金属块的底部与所述金属底板短接，两端接相邻的两所述垂直短路贴片。

与现有技术相比，本实用新型利用水平贴片单元来实现电偶极子的辐射效果，利用垂直短路贴片和与其短接的接地板构成短路状态来实现磁偶极子的辐射效果，垂直短路贴片之间设置间隙以提高端口隔离度；而且，第一馈线和第二馈线的馈电端正对的位置分别设有一金属块，金属块的底部与金属底板短接，金属块的两端接相邻的两垂直短路贴片，通过金属块增大阻抗匹配程度，在将整个天线的尺寸做到较小时，仍能实现在工作频段3-5GHZ时驻波比VSWR<1.5，隔离度S21<-25dB，满足5G基站天线的工作频段覆盖需求。

较佳地，所述第一馈线和第二馈线均为“Γ”形，分别包括一水平设置的水平部和分别接于所述水平部的两端下方的第一垂直部和第二垂直部，所述金属底板上设有贯穿其上下表面的两通孔，所述第一馈线和第二馈线的第一垂直部分别与一穿设在所述通孔的同轴线对应电连接。

更佳地，一所述金属块正对设于所述第一馈线的第一垂直部远离第二垂直部的一侧，另一所述金属块正对设于所述第二馈线的第二垂直部远离第一垂直部的一侧。

更佳地，所述金属块为长方体状，所述金属块与所述正交馈电结构之间的间距至少为10mm。

较佳地，每一所述水平贴片单元包括一垂直接于所述垂直短路贴片的上端的水平金属板和由所述水平金属板的一侧边缘竖直向下延伸的金属寄生板，所述水平贴片单元上开设有缝隙。

更佳地，所述缝隙包括连通的第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和第二缝隙为梯形状且所述第一缝隙的上底边与所述第二缝隙的上底边相接，所述第一缝隙和第二缝隙沿连接处呈轴对称设置。

更佳地，所述缝隙设于所述水平金属板的中间位置。

较佳地，所述第一金属片包括矩形状的第一金属部和第二金属部，所述第一金属部与所述金属底板相接，所述第二金属部接于所述第一金属部的上端并与所述水平金属板相接，所述第二金属部远离所述第二金属片的一端在水平方向上超出所述第一金属部；所述第二金属片包括矩形状的第三金属部和第四金属部，所述第三金属部与所述金属底板相接，所述第四金属部接于所述第三金属部的上端并与所述水平金属板相接，所述第四金属部远离所述第一金属片的一端在水平方向上超出所述第三金属部。

更佳地，所述第二金属部在竖直方向的高度较所述第一金属部在竖直方向上的高度大3-5mm，所述第四金属部在竖直方向的高度较所述第三金属部在竖直方向上的高度大4-6mm。

较佳地，所述金属底板呈正方形，所述磁偶极子边缘与所述金属底板的边缘之间的距离为中心频率的四分之一波长，所述金属挡板的高度为中心频率的四分之一波长。

附图说明

图1是本实用新型实施例适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线的立体结构示意图。

图2是实用新型适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线的俯视图。

图3是正交馈电结构的示意图。

图4是一垂直短路贴片和一水平贴片单元的示意图。

图5是本实用新型的驻波比(VSWR)的仿真结果图。

图6是本实用新型的端口极化隔离度S21的仿真结果图。

图7是本实用新型的端口增益(Gain)的仿真结果图。

图8是本实用新型在4GHZ的方向图的仿真结果图。

图9是本实用新型在4.8GHZ的方向图的仿真结果图。

图10是本实用新型在3.4GHZ时E场、H场的主极化和交叉极化的仿真结果图。

图11是本实用新型在4GHZ时E场、H场的主极化和交叉极化的仿真结果图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的内容、构造特征、所实现目的及效果，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“底”、“水平”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本实用新型和简化描述，因而不能理解为对本实用新型保护内容的限制。

请参阅图1至图4，本实用新型实施例公开了一种适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线100，其包括盒装反射结构10、设于盒装反射结构10内的电偶极子、磁偶极子、正交馈电结构40及两金属块50、60。其中，盒装反射结构10包括金属底板11和沿金属底板11的周向围设在金属底板11之上的金属挡板12，金属底板11用以在天线被激励时实现定向辐射，金属挡板12用于实现减少电磁波的绕射影响，减小后瓣影响。磁偶极子包括正交设置的一对垂直短路单元，每个垂直短路单元包括两垂直短路贴片3，各垂直短路贴片3之间具有间隙70，每一垂直短路贴片3包括一第一金属片31和一第二金属片32，第二金属片32与第一金属片31垂直相接，第一金属片31和第二金属片32垂直设于金属底板11上且第一金属片31和第二金属片32的下端与金属底板11的上表面短接。电偶极子包括四个间距设置的水平贴片单元2，每一水平贴片单元2分别对应垂直设于一垂直短路贴片3上。正交馈电结构40设于间隙70，其包括第一馈线41和交叉跨设在第一馈线41的上方的第二馈线42，一金属块50正对第一馈线41的馈电端(第一馈线41送入外部激励信号的一端)设置，另一金属块60正对第二馈线42的馈电端(第二馈线42送入外部激励信号的一端)设置，且两金属块50、60的底部与金属底板11短接，两金属块50、60的两端接相邻的两垂直短路贴片3。

其中，四个水平贴片单元2围成的结构(电偶极子)绕其中心线呈轴对称设置，四个垂直短路贴片3围成的结构(磁偶极子)绕其中心线亦呈轴对称设置，正交馈电结构40设置在四个水平贴片单元2(四个垂直短路贴片3)围成的结构的中心位置。

请参阅图1和图3，具体的，第二馈线42的上表面与水平贴片单元2平齐，第一馈线41位于第二馈线42的下方2-4mm处，借由第一馈线41和第二馈线42在竖直方向上的高度差来增大两条馈线41、42之间的隔离度。第一馈线41和第二馈线42按照+45°和-45°的位置摆放，第一馈线41和第二馈线42恰好位于在四个垂直短路贴片3(四个水平贴片单元2)之间的间隙70中。第一馈线41和第二馈线42均为“Γ”形，第一馈线41和第二馈线42结构相同，第一馈线41包括有一与金属底板11平行的水平部411和分别接于水平部411的两端下方的第一垂直部412和第二垂直部413，第二馈线42包括有一与金属底板11平行的水平部421和分别接于水平部421的两端下方的第一垂直部422和第二垂直部423，水平部411和水平部421正交设置，金属底板11上设有贯穿其上下表面的两通孔110(如图2所示)，第一垂直部412、第一垂直部422分别与一穿设在通孔110的同轴线43、44的内导体对应电连接，第二垂直部413、第二垂直部423的下端悬空，同轴线43、44分别传输信号至第一馈线41和第二馈线42，从而实现馈电。

具体的，为了进一步改善阻抗匹配程度，将一金属块50正对设于第一馈线41的第一垂直部412远离第二垂直部413的一侧，将另一金属块60正对设于第二馈线42的第二垂直部423远离第一垂直部422的一侧(如图2所示)。优选的，金属块50、60为长方体状，金属块50、60与正交馈电结构40之间的间距至少为10mm。当然，具体实施中可以根据阻抗匹配需求调整金属块50、60的设置位置和设置金属块50、60的尺寸。

请参阅图1，具体的，每一水平贴片单元2包括一垂直接于垂直短路贴片3的上端的水平金属板21和一由水平金属板21的一侧边缘竖直向下延伸的金属寄生板22，金属寄生板22垂直接于水平金属板21外侧的一边(水平金属板21远离间隙70的一边)，且金属寄生板22位于水平金属板21相对靠近间隙70的一端，水平金属板21上开设有缝隙80。利用水平金属板21和金属寄生板22来实现电偶极子，通过金属寄生板22产生了新的谐振点，从而增大天线100的工作频带；而在水平金属板21上开设缝隙80，也起到了增大了天线100带宽的作用。

请参阅图4，更具体的，水平金属板21为正方形状，缝隙80包括连通的第一缝隙81和第二缝隙82，第一缝隙81和第二缝隙82均为梯形状且第一缝隙81的上底边(梯形较短的一底边)与第二缝隙82的上底边(梯形较短的一底边)相接，第一缝隙81和第二缝隙82沿连接处呈轴对称设置。优选的，第一缝隙81和第二缝隙82为等腰梯形状，第一缝隙81和第二缝隙82构成“领结”状的缝隙80，且缝隙80设于水平金属板21的中间位置处；当然，具体实施中不以此为限。

请继续参阅图4，具体的，第一金属片31包括矩形状的第一金属部311和第二金属部312，第一金属部311与金属底板11短接，第二金属部312接于第一金属部311的上端并与水平金属板21相接，第二金属部312远离第二金属片32的一端在水平方向上超出第一金属部311。以图1所示角度为例，第一金属片31接于第二金属片32的左端，第二金属部312的右端在水平方向上超出第一金属部311。同样地，第二金属片32包括矩形状的第三金属部321和第四金属部322，第三金属部321与金属底板11相接，第四金属部322接于第三金属部321的上端并与水平金属板21相接，第四金属部322远离第一金属片31的一端在水平方向上超出第三金属部321。借此设计，将第一金属片31和第二金属片32分别设置成阶梯状，提高了天线100的阻抗带宽和匹配度，同时也实现了天线100单元的尺寸的显著减小，实现小型化设计。附带一提的是，在该实施例中，第一金属片31和第二金属片32均为一体成型，通过在第一金属片31和第二金属片32下部切割出缺口来实现将第一金属片31和第二金属片32分别设置成阶梯状。

更具体的，第一金属片31和第二金属片32的高度均为中心频率的四分之一波长大小，第二金属部312在竖直方向的高度较第一金属部311在竖直方向上的高度大3-5mm，第四金属部322在竖直方向的高度较第三金属部321在竖直方向上的高度大4-6mm；当然，具体实施中不以此为限。

请参阅图1，具体的，各第一金属片31、第二金属片32与水平金属板21位于内侧的两边(水平金属板21邻近间隙70的两边)在竖直方向上平齐，水平金属板21位于外侧的两边超出第一金属片31、第二金属片32，金属底板11呈正方形，磁偶极子(电偶极子)的边缘与金属底板11的边缘之间的距离为中心频率的四分之一波长，金属挡板12的高度为中心频率的四分之一波长。

作为优选实施例，盒装反射结构10、水平金属板21、金属寄生板22、第一金属片31、第二金属片32、第一馈线41、第二馈线42及金属块50、60均为铜或铝，成本低廉。金属底板11的尺寸为100*100mm，金属挡板12的高度为18mm，水平金属板21的边长较中心频率四分之一波长的小2mm，金属寄生板22为正方形，其边长为2mm，金属块50、60的高度均为3mm，第一缝隙81和第二缝隙82的轮廓(等腰梯形)的尺寸分别为3mm(上底)，4.5mm(腰)，5mm(下底)，第二金属部312在竖直方向的高度较第一金属部311在竖直方向上的高度大3mm，第四金属部322在竖直方向的高度较第三金属部321在竖直方向上的高度大4mm，水平部411、421的长度为13mm，第一垂直部412的高度为中心频率的四分之一波长，第二垂直部422的高度为16mm，其中413、423的长度均为10mm，第一馈线41和第二馈线42之间的高度差为2mm，其实现了两端口之间大于25dB的隔离度，相邻两个水平金属板21的宽度之和与两者之间的间隙70的宽度的总和符合半波阵子天线原理，且其在满足3-5GHZ频段全覆盖的同时还相对于传统的半波阵子还减少了4mm的宽度，实现了小型化设计。

请参阅图5至图11，图5为本实用新型宽带双极化磁电偶极子天线100的驻波比(VSWR)的仿真结果图，由图5可知，宽带双极化磁电偶极子天线100的两端口在3-5GHZ工作频段内的电压驻波比VSWR均小于1.5。图6为宽带双极化磁电偶极子天线100的端口极化隔离度S21的仿真结果图，由图6可知，宽带双极化磁电偶极子天线100在整个6GHZ以下的5G主流频段(3-5GHZ)的工作频段内，两端口之间的隔离度均大于25dB，实现了较好的隔离效果。图7为宽带双极化磁电偶极子天线100的端口增益(Gain)的仿真结果图，由图7可知，宽带双极化磁电偶极子天线100在3-5GHZ的工作频段内平均Gain>10dBi，远场辐射效果较好。图8、图9分别为宽带双极化磁电偶极子天线100在4GHZ、4.8GHZ的方向图的仿真结果图，由图8和图9可知，宽带双极化磁电偶极子天线100在4Ghz、4.8Ghz时其E场辐射和H场辐射较为相似，实现了一个良好的定向辐射效果。图10、图11分别为宽带双极化磁电偶极子天线100在3.4GHZ和4GHZ时E场、H场的主极化和交叉极化的仿真结果图，由图10和图11可知，宽带双极化磁电偶极子天线100在3.4GHZ和4GHZ的E场主极化和交叉极化，以及H场的主极化和交叉极化。

与现有技术相比，本实用新型利用四个水平贴片单元2来实现电偶极子的辐射效果，利用四个垂直短路贴片3和与其短接的接地板构成短路状态来实现磁偶极子的辐射效果，垂直短路贴片3之间设置间隙70以提高端口隔离度；而且，第一馈线41和第二馈线42的馈电端正对的位置分别设有一金属块50、60，金属块50、60的底部与金属底板11短接，金属块50、60的两端接相邻的两垂直短路贴片3，通过金属块50、60增大阻抗匹配程度，在将整个天线100的尺寸做到较小时，仍能实现在工作频段3-5GHZ时驻波比VSWR<1.5，隔离度S21<-25dB，满足5G基站天线的工作频段覆盖需求。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，包括盒装反射结构、电偶极子、磁偶极子、正交馈电结构及两金属块，所述盒装反射结构包括金属底板和沿所述金属底板的周向围设在所述金属底板之上的金属挡板，所述磁偶极子包括正交设置的一对垂直短路单元，每个所述垂直短路单元包括两垂直短路贴片，各所述垂直短路贴片之间具有间隙，每一所述垂直短路贴片包括垂直设于所述金属底板上的一第一金属片和一第二金属片，所述第二金属片与所述第一金属片垂直相接，所述电偶极子包括四个分别对应垂直设于一所述垂直短路贴片之上的水平贴片单元，所述正交馈电结构设于所述间隙，其包括第一馈线和交叉跨设在所述第一馈线的上方的第二馈线，一所述金属块正对所述第一馈线的馈电端设置，另一所述金属块正对所述第二馈线的馈电端设置，且两所述金属块的底部与所述金属底板短接，两端接相邻的两所述垂直短路贴片。

2.根据权利要求1所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一馈线和第二馈线均为“Γ”形，分别包括一水平设置的水平部和分别接于所述水平部的两端下方的第一垂直部和第二垂直部，所述金属底板上设有贯穿其上下表面的两通孔，所述第一馈线和第二馈线的第一垂直部分别与一穿设在所述通孔的同轴线对应电连接。

3.根据权利要求2所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，一所述金属块正对设于所述第一馈线的第一垂直部远离第二垂直部的一侧，另一所述金属块正对设于所述第二馈线的第二垂直部远离第一垂直部的一侧。

4.根据权利要求2所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属块为长方体状，所述金属块与所述正交馈电结构之间的间距至少为10mm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，每一所述水平贴片单元包括一垂直接于所述垂直短路贴片的上端的水平金属板和由所述水平金属板的一侧边缘竖直向下延伸的金属寄生板，所述水平贴片单元上开设有缝隙。

6.根据权利要求5所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述缝隙包括连通的第一缝隙和第二缝隙，所述第一缝隙和第二缝隙为梯形状且所述第一缝隙的上底边与所述第二缝隙的上底边相接，所述第一缝隙和第二缝隙沿连接处呈轴对称设置。

7.根据权利要求5所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述缝隙设于所述水平金属板的中间位置。

8.根据权利要求5所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述第一金属片包括矩形状的第一金属部和第二金属部，所述第一金属部与所述金属底板相接，所述第二金属部接于所述第一金属部的上端并与所述水平金属板相接，所述第二金属部远离所述第二金属片的一端在水平方向上超出所述第一金属部；所述第二金属片包括矩形状的第三金属部和第四金属部，所述第三金属部与所述金属底板相接，所述第四金属部接于所述第三金属部的上端并与所述水平金属板相接，所述第四金属部远离所述第一金属片的一端在水平方向上超出所述第三金属部。

9.根据权利要求8所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述第二金属部在竖直方向的高度较所述第一金属部在竖直方向上的高度大3-5mm，所述第四金属部在竖直方向的高度较所述第三金属部在竖直方向上的高度大4-6mm。

10.根据权利要求1所述的适用于5G宏基站的宽带双极化的小型磁电偶极子天线，其特征在于，所述金属底板呈正方形，所述磁偶极子边缘与所述金属底板的边缘之间的距离为中心频率的四分之一波长，所述金属挡板的高度为中心频率的四分之一波长。

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